[发明专利]可变刚度致动器

说明书

本发明公开了一种可变刚度致动器，其适用于软体机器人的末端操作执行机构，采用具有单向可伸缩的层叠堆挤式折纸结构，通过控制折纸结构内部腔道的正、负压力，驱动折纸结构的伸展、压缩，可以实现致动器的刚度调节。并且公开了具有该可变刚度致动器的软体机器人，该软体机器人可以通过自适应自包含的在线可变刚度调节实现对非结构化不规则目标抓取物的抓取。本发明具有结构简单、操作方便、成本较低的优点。此外，本发明通过排放和抽吸气体的气动方式实现“软化”和“硬化”，具体较低的功耗和较高的安全性。

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，特别是涉及用于软体机器人的可变刚度致动器。

背景技术

软体机器人是一种新型柔韧机器人，其作为新兴的快速增长的机器人制造工程领域，在人机柔顺交互以及机器人和未知环境交互领域具有广泛的应用前景。相对于传统的刚性机器人，软体机器人对外界输出的压力载荷更小，不容易对环境中的施加对象造成损伤或损坏，因此可适用于很多人机交互场合，比如康复机器人和微创手术机器人。以生物体内部微创手术为例，在微创内窥镜手术中软体机器人将会特别具有潜力，其允许灵活的、可控的内窥镜执行器尽可能减少对周围组织的损伤，同时提供必要的灵活性和强度。

软体机器人通常采用硅橡胶等非金属柔性材料构成核心驱动部件，以便在人机交互中增加灵活性、可压缩性和安全性。然而，采用柔性材料为主体的软体机器人是以牺牲机器人刚度为代价提高柔顺性。对于一些特殊的应用场合，纯软体机器人会带来末端震颤、抖动和执行力小等问题，限制了软体机器人的应用范围。因此，当前的软体机器人研究和实现的挑战在于机器人与未知环境的物理交互需要能够对无结构不规则目标抓取物实现自适应自包含的在线可变刚度抓取，即，软体机器人在空载状态具有足够的柔软度，而当需要抓取特定物体时，软体机器人的形状能够根据要抓取的物体的形状自适应变化，并且软体机器人的刚度也能够根据所需的抓取力度自适应变化。

软体机器人的设计关键是它的致动器在执行任务动作时提供相应刚度以允许更有效的力传递。为了实现这一点，可以采用可变刚度控制技术，例如，在线可变刚度。顾名思义，在线可变刚度是在软体机器人执行任务动作过程中，软体机器人的致动器的材料或结构具有在线实时可控刚度的能力，即，可以根据应用场景、环境或任务的需要即时改变刚度。对于可变刚度软体机器人的实现，已经设想了采用层叠堆挤机制。基于层叠堆挤机制的层叠堆挤机构通常包括多层片状材料，这些片状材料经受负压环境时，层叠堆挤机构变硬，将材料“堵塞”在一起，从而实现刚度的在线调整。然而，传统的堆挤刚度调节机制依赖于诸如沙子或咖啡渣的颗粒物质，这些颗粒物质增加装置的重量并占用装置的有效执行空间。因此，如何在有效提高软体机器人的抓取能力的同时保持结构的轻便和简单是亟需解决的关键问题。

发明内容

基于此，本发明提出了一种基于折纸的层叠堆挤方式，通过气压控制调节软体机器人的致动器的刚度的新方法，可实现软体机器人的致动器刚度在线可控和人机柔顺交互。

根据本发明的一个方面，提出了一种可变刚度致动器，其适用于软体机器人的末端操作执行机构，所述可变刚度致动器包括：

折纸结构，其包括多个层叠的折纸层，所述多个层叠的折纸层由片状物折叠而成，所述片状物围绕所述折纸结构的中心轴构成所述折纸结构的侧壁，所述多个层叠的折纸层适于相对彼此挤压和拉伸，以致所述折纸结构单向可伸缩；

顶部端板，其固定连接至所述折纸结构的顶端；

底部端板，其固定连接至所述折纸结构的底端，所述顶部端板、所述底部端板和所述折纸结构的侧壁界定一折纸腔道，并且所述底部端板开设有通孔；

气动管道，其一端穿过所述通孔与所述折纸腔道流体连通，其另一端连接至气体源；

弹性薄膜，其包裹在所述顶部端板、所述底部端板和所述折纸结构的外表面形成气密密封；